Teoría de la Relatividad Especial #CienciaClipChallenge

La física clásica está basada en el supuesto de que las distancias y los intervalos de tiempo son absolutos: un metro y un segundo, por ejemplo, miden lo mismo independientemente de si se miden en reposo o en movimiento. Así parece confirmarlo nuestra intuición y nuestra experiencia cotidiana. Pero Albert Einstein nos dice que no: espacio y tiempo no son absolutos ni independientes entre ellos.

Primer postulado

Por allá de 1905, mientras trabajaba en una oficina de patentes, Einstein nos propone imaginarnos un tren. Imagina que corre a 100 kilómetros por hora. Si una persona dentro del tren, llamémosla María, lanza una pelota hacia adelante a una velocidad de, digamos, 20 kilómetros por hora, para un observador parado junto a las vías, llamémoslo Miguel, las velocidades se suman y vería que la pelota va a 120 kilómetros por hora. Si a un pasajero le pega la pelota, no tiene peligro de morir: sentirá el pelotazo a sólo 20 kilómetros por hora. Igual que si Miguel le tirara la pelota a un amigo suyo que esté en tierra. Este es el primer postulado: las leyes de la física son iguales en cada marco de referencia si su velocidad es constante. Para María, el marco de referencia es el tren, para Miguel, es la Tierra. Hasta aquí no hay nada extraño ¿verdad? Pues entra en escena la velocidad de la luz…

Segundo postulado

Imagina que María, en vez de lanzar una pelota, enciende un láser. Sabemos que la luz se mueve a 300,000 kilómetros por segundo en el vacío (digamos que el tren se mueve en el vacío para simplificar los cálculos). Si un pasajero mide la velocidad, obtendrá exactamente esa cantidad. Según nuestra intuición, si Miguel midiera la velocidad, el resultado tendría que ser la suma de la velocidad de la luz más la velocidad del tren: 300,100 kilómetros por segundo y… ¡resulta que no! ¡La velocidad sigue siendo la misma! Ese es el segundo postulado: la velocidad de la luz es la misma para cualquier observador.

Experimentación que lo prueba

Muchos años antes que Einstein, Hipólito Fizeau hizo un experimento análogo al del tren: lanzar un rayo de luz a través de un tubo con agua en movimiento. Ya se sabía la velocidad de la luz en el agua, pero Fizeau quería saber si la velocidad con la que se movía se sumaba a la velocidad de la luz cuando iban en la misma dirección. ¡Y vio que no! Entonces, si la velocidad de la luz no cambia, es decir, si es independiente de la velocidad con la que se mueva su fuente ¿qué pasa? A través de ese razonamiento matemático, Einstein dedujo que si la velocidad de la luz era constante, lo que se modifica con el movimiento son el tiempo y el espacio mismos.

Por extraño que parezca, múltiples experimentos lo han demostrado. Por ejemplo, el efecto llamado “aberración de la luz” hace que una estrella se vea en una posición ligeramente diferente dependiendo de si el observador se acerca o se aleja de ella.

Paradoja de los gemelos

Una de las consecuencias extrañas de esta teoría es la “paradoja de los gemelos”. Imagina que María y Miguel son gemelos y los dos tienen relojes ultraprecisos que miden el tiempo haciendo rebotar un fotón en dos espejos. Los dos relojes están perfectamente sincronizados. Miguel, a quien ya vimos que no le gusta viajar, se queda en la Tierra, y María se va a viajar al espacio. Cada uno ve su reloj hacer “tic tac” a la misma velocidad. Para ambos la velocidad de la luz es constante. Como María se mueve con relación a Miguel, él ve que el fotón de María recorre una distancia mayor en cada “tic”... así que el tiempo en realidad se mueve más lento en la nave que en la Tierra, por lo que para María habría pasado menos tiempo. Ahora bien, para ella, el reloj de Miguel es el que se mueve más lento, y sería él el que habría pasado menos tiempo cuando se encontraran ¡ahí está la paradoja! ¿Cuál es la respuesta? Como el movimiento de la nave de María no es uniforme, sino que tuvo que pasar por una aceleración y una desaceleración ¡para ella habría pasado menos tiempo y sería más joven que Miguel cuando se volvieran a encontrar!  Aunque estos efectos son muy pequeños ¡se notan! Un astronauta girando alrededor de la tierra por un par de años, es unos cuantos milisegundos más joven que los que se quedaron aquí.

Ya sea en el tren o en la nave espacial, la relación entre las medidas tomadas por María y por Miguel, es decir, la manera en la que se cambian las distancias y las duraciones, se calcula usando la llamada “Transformación de Lorentz”, fundamental en la teoría de la relatividad. Tecnologías actuales, como los GPS, dependen de la teoría de la relatividad para efectuar sus mediciones con precisión.

En un trabajo que hizo más tarde en ese mismo año, Einstein llevó la teoría de la relatividad más allá y se dio cuenta de que de ella se podía deducir, entre otras cosas, que la materia y la energía no son entidades separadas, sino que son equivalentes: de hecho, la energía es igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado.

¡CuriosaMente!